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大腦駭客-新科技將控制大腦改變人類行為

104/12/25 瀏覽次數 2456
江院長為中央研究院院士,不僅是全世界第一位建構果蠅全腦神經網絡圖譜的科學家,更是國際知名的腦科學學者,多年來致力於果蠅腦神經網路解碼。他以果蠅為模式動物,逐步找出腦神經有關嗅覺、聽覺等神經網絡,從中找尋有關記憶儲存與資訊流動的腦細胞與神經傳導方式。江院長在演講中將會介紹腦科學研究的最新進展,與臺灣要跟上大國一起崛起的關鍵。他說:當今科學研究已邁入一個嶄新的歧異點(Singularity),在此點之後人類的生活將全然不同。腦科學家發明了各種精緻的手段,就模式生物可以隨心所欲的在特定的時間與空間,操控任何基因的表達及特定神經元的活動,進而操控生物個體的先天的發育與後天的複雜行為。

他說:繼人類基因圖譜定序完成,歐洲及美洲陸續宣告建構腦神經網路圖譜,亞洲也即將宣告其獨特的腦計畫,破解大腦儼然成為新世紀的洲際跨國合作科技競賽。近年來腦科學新技術的突破,將讓我們可以取得全腦神經元之間的所有連結圖譜,觀察及操控在特定行為時大量腦神經元的活性,進而理解全腦的功能。其核心關鍵則是腦神經網路體(Connectome):一個三維的腦神經網路圖譜,詳盡地描述生物體的腦神經網路如何連結與執行功能。腦神經網路體就像是谷歌地圖(Google Map):若賦予每一神經元一個地址,就能從地圖中找出各地址間可能的連接途徑,分析預測神經資訊的傳遞途徑,理解資訊計算、儲存,與提取及如何改變決策的機制。江院士將闡明建構人腦神經網路圖譜所面臨的種種挑戰與應對策略,同時也會以果蠅的研究範例,說明科學家如何利用模式生物腦圖譜提出解釋並加以驗證,進而瞭解基因及神經網路如何控制各種複雜行為的基本機制。最後江院士會討論神經網路體的可能應用,包括: (i) 理解個體的自主決策機制;(ii) 發展人工智慧機器;(iii) 最佳化建構人腦神經網路體的策略;(iv) 發展治療人腦疾病的新策略;以及,(iv) 延長人的壽命與提升生活品質。

人類大腦中有一千億個神經細胞,宛如宇宙繁星般奧妙複雜,12月11日晚間的第七場秋季展望演講,由清華大學生命科學院的江安世院長擔綱,江院長以「大腦駭客─新科技將控制大腦改變人類行為」為題,帶領聽眾認識大腦夜空中的熠熠星光。

腦科學領域對現代科學家來說,是兵家必爭之地,因為「誰掌握了大腦科技,誰就是未來的新興國家」。但在解構複雜的人腦前,我們可以複製過去研究基因的成功模式,先研究模式動物來理解腦袋運作的基本概念。江院長是研究果蠅腦科學的先驅,因為他深信:「如果要研究複雜的東西,就必須從簡單的做起」,並希冀將果蠅腦科學的知識,最終運用回人腦上。雖然果蠅的神經細胞比人類少許多,可是要解開十三萬五千個神經元間的運作模式,也不是一件容易的事。他運用一種水溶性的酵素,使果蠅的腦呈現透明狀,以便觀察各細胞間訊息的傳遞,並且利用3D雷射高解析度重組與反向工程的推斷,建立出3D的神經細胞圖。

這個目前儲存在國家高速電腦中心的果蠅全腦神經細胞圖,是腦科學研究的一大里程碑,因為從圖中我們可以知曉一個訊號傳遞過程中經過了哪些神經細胞。果蠅的腦神經網絡傳遞非常有效率,最多只要經過四至五個連結就可以將任何資訊傳到任何一個角落。就像每個村莊中都有一個認識大家的村長一樣,腦神經細胞中也有訊息頻繁傳送的 rich club(類似村長),他可以將同一個 club 中 member(類似村民)的訊息快速地傳遞到指定的地點。

神經細胞主要利用化學分子進行交談,科學家發現果蠅腦中有 Optogenetic(光控制蛋白)與 Thermogenetic(溫度控制蛋白)等感應受器,可以感應光與熱,並改變細胞內的離子濃度,發出不同的行為訊號。江院長提到,他在果蠅腦中發現了特別的二氧化碳感應受器,而它可以用來感應環境中二氧化碳濃度的變化,這項發現未來或許可以應用在蚊子上,因為蚊子也是靠二氧化碳的濃度判定食物的位置,因此如果能使蚊子的二氧化碳感應受器失去功能,就能進一步防治瘧疾。

當江院長建構出果蠅的嗅覺圖譜與聽覺網路後,他開始好奇果蠅的記憶到底被儲藏在哪裡?經過前人的研究,我們知道形成長期記憶靠的是形成蛋白質結構。於是他的研究團隊利用海葵中的螢光蛋白標記果蠅腦中新生成的記憶蛋白。當紫外線照射到記憶蛋白時,螢光便會由綠色轉為紅色,藉由這顏色的變化,也讓他們成為第一個找到單一神經細胞合成蛋白質時位置的團隊,對記憶的研究有舉足輕重的影響。

藉著江院長在果蠅腦的研究,大腦黑盒子中的秘密也被逐一破解。他說,所有人類行為的背後其實都是由基因在操控,因為基因生成蛋白,而蛋白影響神經,最終神經操控行為。假如人類有60%的基因是演化上的保留基因,也就是說與果蠅相似,那麼未來或許就可以藉果蠅的研究結果來治療人類的大腦疾病。雖然目前對大腦的研究還屬開疆闢土時期,但江院長最後也引用比爾蓋茲的話:「我們常低估以為要十年才會成功的東西」來指出關鍵,相信只要專心研究,大腦科學將會大大改變人類未來的視野!
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